CN102495576A - 一种超低功耗电路控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超低功耗电路控制系统及其实现超低功耗的控制方法，可用于电池供电的超低功耗设备，具有极低的待机功耗。超低功耗电路控制系统包括：电池（110）、定时模块（120）、微处理器模块（130）、电子开关（140）。在系统待机不工作时，只有定时模块（120）有极低的功耗，故系统的待机功耗极低；在系统工作时，通过定时模块（120）和微处理器模块（130）控制系统各单元电路工作，虽工作功耗较大，但时间较短，故系统平均功耗超低。实现超低功耗无需选择低功耗元器件或简化电路，不会造成成本的上升；极低的待机功耗，大大地延长了电池供电设备的使用寿命，减少了更换电池造成的材料和维护成本，对节能和环保有较大的意义。
Description
技术领域
本发明涉及低功耗技术，特别是涉及一种电池供电的超低功耗电路控制系统及控制方法。
背景技术
随着社会经济的发展、科技水平的进步以及生活质量要求的提高，越来越多的自动化设备和电器不断地大量地深入各行各业和人们的生活中，其中许多产品都需要电池供电才能行使其职能。
巨大的电池使用量暴露出了节能和环保的极大问题，降低设备功耗、延长电池使用寿命，势必对节能环保可持续发展至关重要；同时在野外环境、设备密封等应用中，更换电池是比较困难的甚至是不可能的；另一方面来说，最终用户也不会承担更换电池的成本。
这些对能源敏感的应用，一般要求设备要连续工作几年甚至十几年，这些应用中，系统有一个较长的工作周期，在这个周期中有99%（甚至99.9%）处于“不工作”或“深度休眠”状态，定期的唤醒或者被某种激励唤醒后工作，然后再次进入休眠状态。
如果想让电池供电设备的工作时间越长，就要使设备的待机功耗即静态功耗和运行时每个单元的能耗达到最小化。因为系统大部分时间是在休眠，所以很明显获得最大电池工作时间的关键参数是休眠时候的待机电流消耗，降低待机功耗成为低功耗技术的主要问题。
当前低功耗技术主要通过以下方法来实现：选用低功耗器件和简化电路结构；微处理器休眠节能。其存在以下不足：
微处理器及其外围电路（如存储器芯片、上下拉电阻、电容等）一直通电工作，不管是选用何种低功耗器件和休眠方法，总是要消耗一部分功率。对于超低功耗而言，上下拉电阻、电容漏电等消耗的功耗不可忽略。
选用低功耗器件和简化电路结构，使得器件选择范围、系统性能受到限制，而低功耗器件的使用使成本相应地增加。
发明内容
为弥补现有技术的不足，本发明主要提供一种超低功耗电路控制系统（以下简称“系统”），可用于电池供电设备，具有极低的待机功耗，有效地延长了使用寿命。
针对本发明提出的装置，本发明的另一个目的是提供一种实现超低功耗的控制方法，可用于电池供电设备，降低其平均功耗，延长使用寿命。
针对第一个发明目的，本发明提出的技术方案为：
一种超低功耗电路控制系统，包括电池110、定时模块120、微处理器模块130、电子开关140，其特征是：
所述电池110的正极分别连接所述定时模块120的电源正极、所述电子开关140的一端。
所述定时模块120的输出端连接所述电子开关140的控制端，所述定时模块120的复位端连接所述微处理器模块130的输出端；
所述微处理器模块130的电源正极连接所述电子开关140的另一端；
其中，所述定时模块120的输出端控制所述电子开关140，输出的高电平VH使所述电子开关140导通，低电平TL使其断开，从而控制所述微处理器模块130上电工作或断电不工作。
所述电池110是一节电池或几节电池组成的电池模组，具有极低的自放电率，以获得更长的使用寿命。
所述定时模块120是一个带复位控制的周期定时器，一个时间周期TC内，输出端高电平的时间为TH，低电平的时间为TL,则TC= TH + TL。由于系统大部分时间处于休眠状态不工作，故TH较短，TL较长，一般取TH为0.1～2秒，TL为1～5分钟。
所述微处理器模块130是一个微处理器系统，包括微处理器131和外围电路132。其中，所述微处理器131是所述微处理器模块130的核心，负责整个系统的控制运行、处理数据，所述外围电路132是所述微处理器131正常工作的必须辅助电路。所述微处理器模块130应包含有一个非易失性储存器，集成在微处理器131内或安装在外围电路132中。
所述电子开关140的一端虽然连接到所述电池，但不接通时，无功耗。
所述定时模块120的输出端高电平时间TH是受所述复位端控制的，如果复位端电平无变化，那么TH = TD，其中，TD为所述定时模块固定的延时时间；如果在输出端的高电平结束之前，即开始输出低电平之前，复位端电平有变化，即高电平到低电平的下降沿或低电平到高电平的上升沿，所述周期定时器将复位并重新开始计时，所述定时模块120的输出端高电平时间TH将再增加TD，以此类推，从而延长所述微处理器模块130的通电工作时间。
进一步，如果系统因需要使用功耗较大的功率模块211～21N时，还需要增加与之对应的功率电子开关201～20N，其中，N为大于1的自然数，功率模块和功率电子开关根据需要可以从一路扩展至多路。
每一功率电子开关201～20N的一端连接所述电池110的正极，其另一端连接相对应的功率模块211～21N的电源正极；
所述每一功率模块211～21N输出端均连接至所述微处理器模块130的输入端；
所述微处理器模块130输出端连接至每一功率电子开关201～20N控制端，控制所述每一功率电子开关201～20N导通或断开，从而控制相对应的功率模块211～21N上电工作或断电不工作；当某一功率模块上电工作时，所述微处理器模块130通过输入端与该功率模块输出端进行数据、信号交换。
所述功率模块211～21N是功耗较大的单元电路，受所述功率电子开关201～20N控制而通电工作，大部分时间不通电工作，只有极短的时间通电工作，其平均功耗很小。
所述功率电子开关201～20N的一端虽然连接到所述电池，但不接通时，无功耗。
针对第二个发明目的，本发明提出的技术方案为：
一种基于前述超低功耗电路控制系统的实现超低功耗的控制方法，系统待机时，只有所述定时模块120接通电源工作，其功耗极小；通过定时的方式，使所述微处理器模块130和功率模块211～21N接通电源工作，工作时功耗虽较大，但工作时间极短，消耗能量极少，有效地实现了超低功耗。
所述微处理器模块130受所述定时模块120和所述电子开关110控制而周期地上电工作和断电不工作，则所述微处理器模块130一个周期时间TC中：
周期时间：TC = TH + TL，其中TH相对于TL较小，可忽略不计，则有TC= TL
上电工作时间： TH
断电不工作时间：TL
所述功率模块21N受所述微处理器模块130和所述功率电子开关20N控制而周期地上电工作和断电不工作，所述微处理器模块130上电工作CWSN次后（设所述功率模块21N上电工作次数阈值CWSN，其中CWSN为自然数），控制所述功率电子开关20N导通，使所述功率模块21N上电工作一次，则所述功率模块21N一个周期时间TWN中：
周期时间：TWN = CWSN × TC =CWSN × TL
上电工作时间： TH
断电不工作时间： CWSN × TL
将所述微处理器模块130中非易失性储存器的一个存储单元用于存放所述微处理器模块130上电工作的次数CWN，一个存储单元用于存放所述功率模块21N上电工作次数阈值CWSN，该方法还包括以下步骤：
（1）所述定时模块120的输出端为低电平，所述电子开关140处于断开状态，所述微处理器模块130断电不工作；
（2）所述定时模块120的输出端为高电平，所述电子开关140处于导通状态，所述微处理器模块130接通电源并开始工作；
（3） 所述微处理器模块读取微处理器模块的上电次数CWN，并判断CWN是否等于设定的上电工作次数阈值CWSN；如果等于，则所述微处理器模块130控制功率电子开关接通相应的功率模块的电源，该功率模块上电开始工作，工作完成后，所述微处理器模块130控制所述功率电子开关断开相应的所述功率模块的电源，同时将微处理器模块的上电次数CWN清零并储存；如果当前的上电次数CWN不等于设定的上电工作次数阈值CWSN，则将当前的上电次数CWN加“1”并储存；
（4）如果有多个功率模块，按步骤（4）执行各个功率模块及相对应的功率电子开关的控制；
（5）所述微处理器模块130进入休眠状态；
（6）所述定时模块120的输出端高电平结束，系统重复执行以上步骤。
在所述步骤（3）至步骤（5）过程中，如果所述微处理器模块130工作时间不够，则所述微处理器模块130控制所述定时模块120的复位端复位定时器，延长所述微处理器模块130工作时间。
在整个超低功耗电路控制系统中，所述微处理器模块130、所述功率模块211～21N受所述定时模块120和所述微处理器模块130控制而工作，工作间隔时间较长且工作时间极短，虽工作功耗较大，但平均功耗极低；连接所述电池110的所述电子开关140、所述功率电子开关201～20N无功耗；连接所述电池110的所述定时模块120虽一直工作，但其只有微小的功耗，一般只有1 uA～5uA甚至更小，所以系统的待机功耗极小。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：系统实现超低功耗无需选择低功耗元器件或简化电路，也不会造成成本的上升；采用硬件定时电路控制微处理器模块接通电源工作或断电不工作，有效的防止了微处理器程序死机，使得系统更加稳定可靠；系统的待机功耗极低，大大地延长了电池供电设备的使用寿命，减少了更换电池造成的材料和维护成本，对节能和环保有较大的意义。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的微处理器模块电源时序示意图；
图3是本发明的扩展功率模块结构示意图；
图4是本发明的控制方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
如附图1所示，一种超低功耗电路控制系统，包括电池110、定时模块120、微处理器模块130、电子开关140，其特征是：
一种超低功耗电路控制系统，包括电池110、定时模块120、微处理器模块130、电子开关140，其特征是：
所述电池110的正极分别连接所述定时模块120的电源正极、所述电子开关140的一端。
所述定时模块120的输出端连接所述电子开关140的控制端，所述定时模块120的复位端连接所述微处理器模块130的输出端；
所述微处理器模块130的电源正极连接所述电子开关140的另一端；
其中，所述定时模块120的输出端控制所述电子开关140，输出的高电平VH使所述电子开关140导通，低电平TL使其断开，从而控制所述微处理器模块130上电工作或断电不工作。
所述电池110是一节电池或几节电池组成的电池模组，具有极低的自放电率，以获得更长的使用寿命。
所述定时模块120是一个带复位控制的周期定时器，一个时间周期TC内，输出端高电平的时间为TH，低电平的时间为TL,则TC= TH + TL。由于系统大部分时间处于休眠状态不工作，故TH较短，TL较长，一般取TH为0.1～2秒，TL为1～5分钟。
所述微处理器模块130是一个微处理器系统，包括微处理器131和外围电路132。其中，所述微处理器131是所述微处理器模块130的核心，负责整个系统的控制运行、处理数据等，所述外围电路132是所述微处理器131正常工作的必须辅助电路。所述微处理器模块130应包含有一个非易失性储存器，集成在微处理器131内或安装在外围电路132中。
所述电子开关140的一端虽然连接到所述电池，但不接通时，无功耗。
如附图2所示，所述定时模块120输出端的高电平VOUT时间TH是受所述复位端RST控制的，如果复位端RST电平无变化，那么TH = TD，其中，TD为所述定时模块固定的延时时间；如果在输出端VOUT的高电平结束之前，即开始输出低电平之前，复位端RST电平有变化，即高电平到低电平的下降沿或低电平到高电平的上升沿，所述周期定时器将复位并重新开始计时，所述定时模块120的输出端高电平VOUT时间TH将再增加TD，以此类推，从而延长所述微处理器模块130的通电工作时间。
如附图3所示，如果系统因需要使用功耗较大的功率模块211～21N时，还需要增加与之对应的功率电子开关201～20N，其中，N为大于1的自然数，功率模块和功率电子开关根据需要可以从一路扩展至多路。
每一功率电子开关201～20N的一端连接所述电池110的正极，其另一端连接相对应的功率模块211～21N的电源正极；
所述每一功率模块211～21N输出端均连接至所述微处理器模块130的输入端；
所述微处理器模块130输出端连接至每一功率电子开关201～20N控制端，控制所述每一功率电子开关201～20N导通或断开，从而控制相对应的功率模块211～21N上电工作或断电不工作；当某一功率模块上电工作时，所述微处理器模块130通过输入端与该功率模块输出端进行数据、信号交换。
所述功率模块211～21N是功耗较大的单元电路，受所述功率电子开关201～20N控制而通电工作，大部分时间不通电工作，只有极短的时间通电工作，其平均功耗很小。
所述功率电子开关201～20N的一端虽然连接到所述电池，但不接通时，无功耗。
一种基于前述超低功耗电路控制系统的实现超低功耗的控制方法，系统待机时，只有所述定时模块120接通电源工作，其功耗极小；通过定时的方式，使所述微处理器模块130和功率模块211～21N接通电源工作，工作时功耗虽较大，但工作时间极短，消耗能量极少，有效地实现了超低功耗。
所述微处理器模块130受所述定时模块120和所述电子开关110控制而周期地上电工作和断电不工作，则所述微处理器模块130一个周期时间TC中：
周期时间：TC = TH + TL，其中TH相对于TL较小，可忽略不计，则有TC= TL
上电工作时间： TH
断电不工作时间：TL
所述功率模块21N受所述微处理器模块130和所述功率电子开关20N控制而周期地上电工作和断电不工作，所述微处理器模块130上电工作CWSN次后（设所述功率模块21N工作间隔次数为CWSN，其中CWSN为自然数），控制所述功率电子开关20N导通，使所述功率模块21N上电工作一次，则所述功率模块21N一个周期时间TW1中：
周期时间：TW1 = CWSN × TC =CWSN × TL
上电工作时间： TH
断电不工作时间： CWSN × TL
如附图4所示，将所述微处理器模块130中非易失性储存器的一个存储单元用于存放所述微处理器模块130上电工作的次数CWN，一个存储单元用于存放所述功率模块21N上电工作次数阈值CWSN，该方法还包括以下步骤：
401 所述定时模块120的输出端为低电平，所述电子开关140处于断开状态，所述微处理器模块130不通电工作；
402 所述定时模块120的输出端为高电平，所述电子开关140处于导通状态，所述微处理器模块130接通电源并开始工作；
403所述微处理器模块读取微处理器模块的上电次数CWN，并判断CWN是否等于设定的上电工作次数阈值CWSN；如果等于，则所述微处理器模块130控制功率电子开关接通相应的功率模块的电源，该功率模块上电开始工作，工作完成后，所述微处理器模块130控制所述功率电子开关断开相应的所述功率模块的电源，同时将微处理器模块的上电次数CWN清零并储存；如果当前的上电次数CWN不等于设定的上电工作次数阈值CWSN，则将当前的上电次数CWN加“1”并储存；
404 如果有多个功率模块，按步骤（4）执行各个功率模块及相对应的功率电子开关的控制；
405 所述微处理器模块130进入休眠状态；
406 所述定时模块120的输出端高电平结束，系统重复执行以上步骤。
在所述步骤403至步骤405过程中，如果所述微处理器模块130工作时间不够，则所述微处理器模块130控制所述定时模块120的复位端复位定时器，延长所述微处理器模块130工作时间。
在整个超低功耗电路控制系统中，，所述微处理器模块130、所述功率模块211～21N受所述定时模块120和所述微处理器模块130控制而工作，工作间隔时间较长且工作时间极短，虽工作功耗较大，但平均功耗极低；连接所述电池110的所述电子开关140、所述功率电子开关201～20N无功耗；连接所述电池110的所述定时模块120虽一直工作，但其只有微小的功耗，一般只有1 uA～5uA甚至更小，所以系统的待机功耗极小。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超低功耗电路控制系统，包括电池（110）、定时模块（120）、微处理器模块（130）、电子开关（140），其特征是：
所述电池（110）的正极分别连接所述定时模块（120）的电源正极、所述电子开关（140）的一端；
所述定时模块（120）的输出端连接所述电子开关（140）的控制端，所述定时模块（120）的复位端连接所述微处理器模块（130）的输出端；
所述微处理器模块（130）的电源正极连接所述电子开关（140）的另一端；
其中，所述定时模块（120）的输出端控制所述电子开关（140），输出的高电平VH使所述电子开关（140）导通，低电平TL使其断开，从而控制所述微处理器模块（130）上电工作或断电不工作。
2.根据权利要求1所述的超低功耗电路控制系统，其特征在于：
所述电池（110）是一节电池或几节电池组成的电池模组。
3.根据权利要求1所述的超低功耗电路控制系统，其特征在于：
所述定时模块（120）是一个带复位控制的周期定时器，一个时间周期TC内，高电平的时间为TH，低电平的时间为TL,则TC= TH + TL。
4.根据权利要求3所述的超低功耗电路控制系统，其特征在于：
所述定时模块（120）输出端的高电平时间TH是受所述复位端控制的，如果复位端电平无变化，那么TH = TD，其中，TD为所述定时模块固定的延时时间；如果在输出端的高电平结束之前，即开始输出低电平之前，复位端电平有变化，即高电平到低电平的下降沿或低电平到高电平的上升沿，所述周期定时器将复位并重新开始计时，所述定时模块（120）的输出端高电平时间TH将再增加TD，以此类推，从而延长所述微处理器模块（130）的通电工作时间。
5.根据权利要求1所述的超低功耗电路控制系统，其特征在于：
所述超低功耗电路控制系统还进一步包括至少一个功率模块（211～21N）、与每一功率模块相对应的功率电子开关（201～20N），其中，N为大于1的自然数；
每一功率电子开关（201～20N）的一端连接所述电池（110）的正极，其另一端连接相对应的功率模块（211～21N）的电源正极；
所述每一功率模块（211～21N）输出端均连接至所述微处理器模块（130）的输入端；
所述微处理器模块（130）输出端连接至每一功率电子开关（201～20N）控制端，控制所述每一功率电子开关（201～20N）导通或断开，从而控制相对应的功率模块（211～21N）上电工作或断电不工作；当某一功率模块上电工作时，所述微处理器模块（130）通过输入端与该功率模块输出端进行数据、信号交换。
6.根据权利要求1或5 任一项权利要求所述的超低功耗电路控制系统，其特征在于：
所述微处理器模块（130）是一个微处理器系统，包括微处理器（131）和外围电路（132）；其中，所述微处理器（131）是所述微处理器模块（130）的核心，负责整个系统的控制运行、处理数据；所述外围电路（132）是所述微处理器（131）正常工作的必须辅助电路；所述微处理器模块（130）还包含有一个非易失性储存器，集成在微处理器（131）内或安装在外围电路（132）中。
7.一种基于权利要求5所述的超低功耗电路控制系统，其特征在于：
所述微处理器模块（130）受所述定时模块（120）和所述电子开关（110）控制而周期地上电工作和断电不工作；
所述功率模块受所述微处理器模块（130）和相应的功率电子开关控制而周期地上电工作和断电不工作，所述微处理器模块（130）上电工作达到设定的上电工作次数阈值（CWSN）后，控制所述相应的功率电子开关导通，使所述功率模块上电工作一次。
8.一种基于权利要求5或7所述的超低功耗电路控制系统的实现超低功耗的控制方法，其特征在于：
该方法包括以下步骤：
（1）所述定时模块（120）的输出端为低电平，所述电子开关（140）处于断开状态，所述微处理器模块（130）断电不工作；
（2）所述定时模块（120）的输出端为高电平，所述电子开关（140）处于导通状态，所述微处理器模块（130）接通电源并开始工作；
（3） 所述微处理器模块读取微处理器模块的上电次数（CWN），并判断当前的上电次数（CWN）是否等于设定的上电工作次数阈值（CWSN）；如果等于，则所述微处理器模块（130）控制功率电子开关接通相应的功率模块的电源，该功率模块上电开始工作，工作完成后，所述微处理器模块（130）控制所述功率电子开关断开相应的所述功率模块的电源，同时将微处理器模块的上电次数（CWN）并储存；如果当前的上电次数（CWN）不等于设定的上电工作次数阈值（CWSN），则将当前的上电次数（CWN）加“1”并储存；
（4）如果有多个功率模块，按步骤（4）执行各个功率模块及相对应的功率电子开关的控制；
（5）所述微处理器模块（130）进入休眠状态；
（6）所述定时模块（120）的输出端高电平结束，系统重复执行以上步骤。
9.根据权利要求8所述的实现超低功耗的控制方法，其特征在于：
在所述步骤（3）至步骤（5）过程中，如果所述微处理器模块（130）工作时间不够，则所述微处理器模块（130）控制所述定时模块（120）的复位端复位定时器，延长所述微处理器模块（130）工作时间。
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